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W2018_Bis2A_Lecture19_reading - Biologie

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Die DNA-Doppelhelix und ihre Replikation

Der Umfang des Problems

In diesem Modul diskutieren wir die Replikation von DNA – eine der wichtigsten Voraussetzungen für ein lebendes System, um sich zu regenerieren und die nächste Generation zu erschaffen. Betrachten wir zunächst in einer literarischen Analogie kurz die Tragweite des Problems.

Das menschliche Genom besteht aus etwa 6,5 ​​Milliarden Basenpaaren DNA, wenn man das vollständige diploide Genom betrachtet (d. h. wenn man die von beiden Elternteilen vererbte DNA zählt). Sechs Komma fünf Milliarden sieht so aus: 6.500.000.000. Das ist eine große Zahl. Um eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, was diese Zahl bedeutet, stellen Sie sich vor, dass unsere DNA eine Reihe von schriftlichen Anweisungen ist, um einen von uns zu konstruieren. Analog können wir es dann mit einem anderen schriftlichen Dokument vergleichen. In diesem Beispiel betrachten wir zunächst Tolstois Krieg und Frieden, ein Roman, der vielen Menschen wegen seines voluminösen Charakters bekannt ist. Daten von Wikipedia gehen davon aus, dass Krieg und Frieden enthält etwa 560.000 Wörter. Ein zweites geschriebenes Werk, mit dem viele vertraut sind, sind die sieben Bände von J.K. Rowlings Harry Potter. Diese Arbeit umfasst ~1.080.000 Wörter (Referenzierte Statistik auf Wikipedia). Wenn wir davon ausgehen, dass das durchschnittliche englische Wort fünf Zeichen lang ist, sind die beiden literarischen Werke 2,8 Millionen bzw. 5,4 Millionen Zeichen lang. Daher haben selbst alle sieben Bände von "Harry Potter" über 1000x weniger Charaktere als unsere eigenen Genome. Die Zahl der Charaktere in diesen Romanen ist jedoch viel näher an der Zahl der Nukleotide in einem typischen Bakteriengenom.

Stellen Sie sich nun für einen Moment vor, eine Maschine oder ein mechanisches Verfahren (kein elektronisches Verfahren) zu entwickeln, das für das Lesen und Kopieren dieser Bücher verantwortlich ist. Oder stellen Sie sich vor, Sie kopieren diese Texte. Wie schnell könntest du es schaffen? Wie viele Fehler werden Sie wahrscheinlich machen? Erwarten Sie einen Kompromiss zwischen der Geschwindigkeit, mit der Sie kopieren können, und der Genauigkeit? Welche Ressourcen braucht dieser Prozess? Wie viel Energie wird benötigt? Stellen Sie sich jetzt vor, Sie kopieren etwas 1000x größeres! Oh, und nur zur Sicherheit muss Ihr imaginäres mechanisches Gerät seine Arbeit mit Text erledigen, der ~25 Zoll breit ist (d. h. 0,0000000025 Meter breit). Im Vergleich dazu ist eine typische Zehn-Punkte-Schrift etwa 0,00025 Meter breit, etwa 100.000x größer als die Breite eines DNA-Basenpaares.

Vor diesem Hintergrund ist zu beachten, dass die Teilung einer menschlichen Zelle etwa 24 Stunden dauern kann (die DNA-Replikation muss daher etwas schneller sein). Ein gesunder E coli Die Zellteilung kann nur 20 Minuten dauern (einschließlich der Replikation ihres Genoms mit ~4,5 Millionen Basenpaaren). Sowohl der Mensch als auch das Bakterium tun dies, während sie in der Regel nur wenige Fehler machen, damit die nachfolgende Generation lebensfähig und erkennbar bleibt. Das sollte ziemlich erstaunlich erscheinen! Bedenken Sie nun, dass der menschliche Körper schätzungsweise aus etwa 10 Billionen Zellen (10 000 000 000 000) besteht und dass er zwischen zwei und zehnmal so viele mikrobielle Bewohner haben kann, und das ist eine Menge Zellteilung, die es zu berücksichtigen gilt.

Designherausforderung

Wenn sich die Zelle replizieren soll – ihr ultimatives Ziel – muss eine Kopie der DNA erstellt werden. Eine klare Problemstellung/Frage lautet also: "Wie kann die Zelle ihre DNA effektiv kopieren?" In Anbetracht der obigen Analogie sind hier einige relevante Unterfragen: Welche chemischen und physikalischen Eigenschaften ermöglichen das Kopieren von DNA? Mit welcher Genauigkeit muss die DNA kopiert werden? Mit welcher Geschwindigkeit muss kopiert werden? Woher kommt die Energie für diese Aufgabe und wie viel wird benötigt? Woher kommen die "Rohstoffe"? Wie koppeln die an diesem Prozess beteiligten molekularen Maschinen den Zusammenbau von Rohstoffen und die Energie, die zum Aufbau eines neuen DNA-Moleküls benötigt wird? Die Liste ließe sich natürlich fortsetzen.

In der folgenden Diskussion und in der Vorlesung werden wir daran interessiert sein, zu untersuchen, wie der Prozess der DNA-Replikation abläuft, während wir einige der treibenden Fragen im Auge behalten. Versuchen Sie sich beim Durcharbeiten der Lese- und Vorlesungsmaterialien ständig dieser und anderer Fragen im Zusammenhang mit diesem Prozess bewusst zu sein. Verwenden Sie diese Fragen als Orientierungshilfe, um Ihre Gedanken zu ordnen, und versuchen Sie, Übereinstimmungen zwischen den "Fakten", von denen Sie glauben, dass Sie sie kennen sollten, und den treibenden Fragen zu finden.

Die DNA-Doppelhelix

Um einen zusätzlichen Kontext aufzubauen, brauchen wir auch ein wenig empirisch ermitteltes Wissen. Eines der vielleicht bekanntesten und beliebtesten Merkmale der erblichen Form des DNA-Moleküls ist, dass es eine doppelhelikale Tertiärstruktur hat. Die Aufwertung dieser stammt aus den 1950er Jahren. Die Geschichte dieser Entdeckung wurde weithin erzählt – und die Details sprengen den Rahmen dieses Textes. Kurz gesagt, Francis Crick und James Watson wird zugeschrieben, die Struktur der DNA zu bestimmen. Rosalind Franklin wird nun auch die Generierung kritischer Röntgenbeugungsdaten zugeschrieben, die es Watson und Crick ermöglichten, das Puzzle des DNA-Moleküls zusammenzusetzen.

Modelle der DNA-Struktur zeigten, dass das Molekül aus zwei Strängen kovalent verknüpfter Nukleotide besteht, die umeinander verdreht sind, um eine rechtsgängige Helix zu bilden. In jedem Strang sind Nukleotide kovalent mit zwei anderen Nukleotiden (außer an den äußersten Enden eines linearen Strangs) über Phosphodiesterbindungen verbunden, die die Zucker über die 5'- und 3'-Hydroxylgruppen verbinden (Tafel b in Abbildung 1). Denken Sie daran, dass sich die Markierungen 5' und 3' auf die Kohlenstoffe des Zuckermoleküls beziehen. Diese Zucker- und Phosphatketten bilden einen zusammenhängenden Satz kovalenter Verknüpfungen, die oft als "Rückgrat" der Struktur bezeichnet werden. In einem linearen Molekül hat jeder Strang zwei freie Enden. Eines wird als das 5'-Ende bezeichnet, weil die unverknüpfte funktionelle Gruppe, die typischerweise an der Bindung von Nukleotiden beteiligt ist, das Phosphat ist, das an den 5'-Kohlenstoff gebunden ist. Das andere Ende des Strangs wird als 3'-Ende bezeichnet, da die ungebundene funktionelle Gruppe, die typischerweise an der Bindung von Nukleotiden beteiligt ist, die Hydroxylgruppe ist, die mit dem 3'-Kohlenstoff des Zuckers verbunden ist. Da die beiden Enden des Strangs nicht symmetrisch sind, ist es einfach, eine Richtung des Strangs zu bestimmen oder zu beschreiben – man kann zum Beispiel sagen, dass sie vom 5'-Ende zum 3'-Ende lesen, um anzuzeigen, dass sie "Gehen" entlang des Strangs, beginnend am 5'-Ende und in Richtung 3'-Ende. Diese Richtung (5' bis 3') ist übrigens die von den meisten Biologen verwendete Konvention. Man kann in die entgegengesetzte Richtung (3' bis 5') lesen, sofern dies explizit gemacht wird. Die beiden Stränge kovalent verknüpfter Nukleotide sind antiparallel zueinander in der Doppelhelix; das heißt, die Orientierung/Richtung eines Strangs ist der des anderen Strangs entgegengesetzt (Feld b in Abbildung 1). Das Rückgrat befindet sich strukturell an der "Außenseite" der Doppelhelix, wodurch ein Band negativer Ladungen auf der Oberfläche entsteht. Im Gegensatz dazu stapeln sich die stickstoffhaltigen Basen jedes der antiparallelen Stränge im Inneren der Struktur und stehen sich so gegenüber, dass Wasserstoffbrücken zwischen einzigartigen Purin/Pyrimidin-Paaren (A-Paarung mit T und G-Paarung mit C) entstehen können. Diese spezifischen Paarungen werden als bezeichnet komplementär aneinander und daher werden die gegenüberliegenden Stränge einer Doppelhelix oft als . bezeichnet komplementäre Stränge.

Komplementäre Stränge enthalten redundante Informationen. Wenn man die Sequenz eines Stranges kennt, kennt man wegen der strikten chemischen Paarung zwingend den Strang seines Komplements. Nehmen wir zum Beispiel die Sequenz 5′ - C A T A T G G G A T G - 3′. Beachten Sie, wie die Sequenz mit der Orientierung annotiert ist (angezeigt durch 5'- und 3'-Markierungen). Das Komplement dieser Sequenz – geschrieben gemäß der 5'-3'-Konvention ist: 5′ – C A T C C C A T A T G – 3′. Wenn Sie nicht überzeugt sind, schreiben Sie diese beiden Sequenzen in Ihren Notizen gegenüber und achten Sie darauf, sie als antiparallele Stränge zu schreiben. Beachten Sie, dass die Verdrillung der beiden komplementären Stränge umeinander zur Bildung von Strukturmerkmalen führt, die als große und kleine Furchen bezeichnet werden und die bei der Diskussion der Bindung von Proteinen an DNA (Tafel c in Abbildung 1) an Bedeutung gewinnen.

Die meisten BIS2A-Instruktoren erwarten, dass Sie die in der folgenden Abbildung dargestellten wesentlichen Strukturmerkmale erkennen und in der Lage sind, selbst eine grundlegende Abbildung der Struktur der DNA zu erstellen.

Abbildung 1. DNA hat (a) eine Doppelhelixstruktur und (b) Phosphodiesterbindungen. Die (c) großen und kleinen Furchen sind Bindungsstellen für DNA-bindende Proteine ​​während Prozessen wie der Transkription (der Erzeugung von RNA aus einer DNA-Matrize) und der Replikation.

Ungefähr zur gleichen Zeit wurden drei Hypothesen für die Modi der DNA-Replikation in Betracht gezogen. Die Replikationsmodelle waren bekannt als: das konservative Modell, das halbkonservative Modell und das dispersive Modell.

1. Konservativ: Das konservative Replikationsmodell postulierte, dass jedes ganze doppelsträngige Molekül als Matrize für die Synthese eines völlig neuen doppelsträngigen Moleküls fungieren könnte. Das heißt, wenn man nach der Replikation eine chemische Markierung auf dem DNA-Matrizenmolekül anbringen würde, würde keine dieser Markierungen auf der neuen Kopie gefunden werden.
2. Semikonservativ: Diese Hypothese besagte, dass jeder einzelne Strang eines DNA-Moleküls als Vorlage für einen neuen Strang dienen könnte, mit dem er nun assoziieren würde. in diesem Fall würde, wenn eine chemische Markierung auf einem doppelsträngigen DNA-Molekül angebracht würde, ein Strang auf jeder der Kopien die Markierung behalten.
3. Dispersiv: Dieses Modell schlug vor, dass eine kopierte Doppelhelix eine stückweise Kombination von kontinuierlichen Segmenten von "alten" und "neuen" Strängen wäre. Wenn eine chemische Markierung auf einem DNA-Molekül angebracht würde, das mit einem dispersiven Mechanismus kopiert wurde, würde man diskrete Segmente der resultierenden Kopie finden, die auf beiden Strängen markiert waren, getrennt durch völlig unmarkierte Teile.

Meselson und Stahl lösten das Problem 1958, als sie über Ergebnisse eines inzwischen berühmten Experiments berichteten (auf Wikipedia beschreiben), die zeigte, dass die DNA-Replikation semikonservativ ist (Abbildung 2), wobei jeder Strang als Matrize für die Bildung des neuen Strangs verwendet wird. Um mehr über dieses Experiment zu erfahren, schauen Sie sich Das Meselson-Stahl-Experiment an.

Figur 2. DNA hat eine antiparallele Doppelhelix-Struktur, die Nukleotidbasen sind über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden und jeder Strang ergänzt den anderen. Die DNA wird semikonservativ repliziert, jeder Strang dient als Matrize für den neu hergestellten Strang.

DNA Replikation

Nachdem einige grundlegende strukturelle Merkmale und die Notwendigkeit eines halbkonservativen Mechanismus festgestellt wurden, ist es wichtig, einiges von dem zu verstehen, was über den Prozess bekannt ist, und darüber nachzudenken, welche Fragen man möglicherweise beantworten möchte, um besser zu verstehen, was vor sich geht An.

Da die DNA-Replikation ein Prozess ist, können wir die Rubrik Energiegeschichte aufrufen, um darüber nachzudenken. Denken Sie daran, dass die Rubrik Energiegeschichte dazu da ist, uns dabei zu helfen, systematisch über Prozesse nachzudenken (wie die Dinge von A nach B gehen). In diesem Fall handelt es sich um den Vorgang, mit einem doppelsträngigen DNA-Molekül zu beginnen und mit zwei doppelsträngigen Molekülen zu enden. Wir werden also verschiedene Fragen stellen: Wie sieht das System am Anfang (Materie und Energie) der Replikation aus? Wie werden Materie und Energie im System übertragen und was katalysiert die Übertragungen? Wie sieht das System am Ende des Prozesses aus? Wir können auch Fragen zu bestimmten Ereignissen stellen, die während des Prozesses passieren MÜSSEN. Da zum Beispiel DNA ein langes Molekül ist und manchmal kreisförmig ist, können wir grundlegende Fragen stellen wie: Wo beginnt der Replikationsprozess? Wo endet es? Wir können auch praktische Fragen zum Prozess stellen, wie zum Beispiel, was passiert, wenn eine doppelsträngige Struktur abgewickelt wird?

Wir betrachten einige dieser Schlüsselfragen im Text und im Unterricht und ermutigen Sie, dasselbe zu tun.

Voraussetzungen für die DNA-Replikation

Beginnen wir mit der Auflistung einiger grundlegender funktioneller Anforderungen für die DNA-Replikation, die wir ableiten können, indem wir nur über den Prozess nachdenken, der ablaufen muss und/oder erforderlich ist, damit die Replikation stattfindet. Was brauchen wir also?

• Wir wissen, dass DNA aus Nukleotiden besteht. Wenn wir einen neuen Strang erzeugen wollen, brauchen wir eine Nukleotidquelle.
• Wir können daraus schließen, dass der Aufbau eines neuen DNA-Strangs eine Energiequelle erfordert – wir sollten versuchen, diese zu finden.
• Wir können daraus schließen, dass es einen Prozess geben muss, um einen Ort zu finden, an dem die Replikation beginnen kann.
• Wir können daraus schließen, dass es ein oder mehrere Enzyme gibt, die den Replikationsprozess katalysieren.
• Da dies ein biochemischer Prozess ist, können wir auch folgern, dass einige Fehler gemacht werden.

Überprüfung der Nukleotidstruktur

Erinnern Sie sich an einige grundlegende Strukturmerkmale der Nukleotidbausteine ​​der DNA. Die Nukleotide beginnen als Nukleotidtriphosphate. Ein Nukleotid besteht aus einer stickstoffhaltigen Base, Desoxyribose (Fünf-Kohlenstoff-Zucker) und einer Phosphatgruppe. Das Nukleotid wird nach seiner stickstoffhaltigen Base benannt, Purine wie Adenin (A) und Guanin (G) oder Pyrimidine wie Cytosin (C) und Thymin (T). Erinnern Sie sich an die Strukturen unten. Beachten Sie, dass das Nukleotid Adenosintriphosphat (ATP) ein Vorläufer des Desoxyribonukleotids (dATP) ist, das in die DNA eingebaut wird.

Figur 3. Jedes Nukleotid besteht aus einem Zucker (Ribose oder Desoxyribose, je nachdem, ob es RNA bzw. DNA bildet), einer Phosphatgruppe und einer stickstoffhaltigen Base. Die Purine haben eine Doppelringstruktur mit einem Sechsring, der zu einem Fünfring kondensiert ist. Pyrimidine sind kleiner; sie haben eine einzelne sechsgliedrige Ringstruktur. Die Kohlenstoffatome des Zuckers mit fünf Kohlenstoffatomen sind mit 1', 2', 3', 4' und 5' nummeriert (1' wird als „eine Primzahl“ gelesen). Der Phosphatrest ist an die Hydroxylgruppe des 5'-Kohlenstoffs eines Zuckers eines Nukleotids und die Hydroxylgruppe des 3'-Kohlenstoffs des Zuckers des nächsten Nukleotids gebunden, wodurch eine 5'-3'-Phosphodiesterbindung gebildet wird.

Initiierung der Replikation

Wo entlang der DNA startet die Replikationsmaschinerie die DNA-Replikation?

Mit Millionen, wenn nicht Milliarden von Nukleotiden, die kopiert werden müssen, woher weiß die DNA-Polymerase, wo sie anfangen soll? Es überrascht nicht, dass dieser Prozess nicht zufällig ist. Es gibt spezifische Nukleotidsequenzen namens Ursprünge der Replikation entlang der Länge der DNA, bei der die Replikation beginnt. Sobald diese Site jedoch identifiziert ist, gibt es ein Problem. Die DNA-Doppelhelix wird durch Basenstapelwechselwirkungen und Wasserstoffbrücken zusammengehalten. Wenn jeder Strang einzeln gelesen und kopiert werden soll, muss es einen Mechanismus geben, der dafür verantwortlich ist, die beiden Stränge voneinander zu trennen. Energetisch ist dies ein endergonischer Prozess. Woher kommt die Energie und wie wird diese Reaktion katalysiert? Grundlegende Überlegungen sollten an dieser Stelle zu der Hypothese führen, dass wahrscheinlich ein Proteinkatalysator beteiligt ist und dieses Enzym entweder neue Bindungen erzeugt, die energetisch günstiger (exergonisch) sind als die Bindungen, die es bricht UND/ODER es in der Lage ist, die Verwendung zu koppeln einer externen Energiequelle, um zu helfen, die Stränge zu dissoziieren.

Es stellt sich heraus, dass die Details dieses Prozesses und der beteiligten Proteine ​​je nach fraglichem Organismus unterschiedlich sind und viele Details auf molekularer Ebene noch nicht vollständig verstanden sind. Es gibt jedoch einige gemeinsame Merkmale bei der Replikation von Eukaryoten, Bakterien und Archaeen, und eines dieser Merkmale ist, dass mehrere verschiedene Arten von Proteinen an der Replikation der DNA beteiligt sind. Erstens haben Proteine, die allgemein als "Initiatoren" bezeichnet werden, die Fähigkeit, DNA an oder sehr nahe am Replikationsursprung zu binden. Die Wechselwirkung der Initiatorproteine ​​mit der DNA hilft, die Doppelhelix zu destabilisieren und hilft auch, andere Proteine ​​zu rekrutieren, einschließlich eines Enzyms namens DNAHelikase zur DNA. In diesem Fall scheint die zur Destabilisierung der DNA-Doppelhelix erforderliche Energie aus der Bildung neuer Assoziationen zwischen DNA und den Initiatorproteinen und den Proteinen selbst zu stammen. Die DNA-Helikase ist ein Protein mit mehreren Untereinheiten, das für den Replikationsprozess wichtig ist, da es die exergonische Hydrolyse von ATP an die Entwindung der DNA-Doppelhelix koppelt. Zusätzliche Proteine ​​müssen für den Initiationskomplex (die Sammlung von Proteinen, die an der Initiation der Transkription beteiligt sind) rekrutiert werden. Dazu gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, zusätzliche Enzyme namens primasund DNA-Polymerase. Während die Initiatoren kurz nach Beginn der Replikation verloren gehen, arbeiten die restlichen Proteine ​​zusammen, um den Prozess der DNA-Replikation auszuführen. Dieser Enzymkomplex funktioniert an Y-förmigen Strukturen in der DNA, genannt Replikationsgabeln (Figur 4). Für jedes Replikationsereignis können an jedem Replikationsstartpunkt zwei Replikationsgabeln gebildet werden, die sich in beide Richtungen erstrecken. Auf eukaryontischen Chromosomen und einigen Archaeen finden sich mehrere Replikationsursprünge, während das Genom des Bakteriums, E coli, scheint einen Replikationsursprung zu kodieren.

Hinweis: mögliche Diskussion

Warum sollten verschiedene Organismen eine unterschiedliche Anzahl von Replikationsstartpunkten haben? Was könnte der Vorteil sein, mehrere zu haben? Gibt es einen Nachteil, mehr als einen zu haben?

Hinweis: mögliche Diskussion

Können Sie in Anbetracht dessen, was an den Replikationsursprüngen passieren muss, Logik verwenden, um einige potenzielle Merkmale abzuleiten und zur Diskussion vorzuschlagen, die die Replikationsursprünge von anderen DNA-Segmenten unterscheiden?

Figur 4. Am Ursprung der Replikation bildet sich eine Replikationsblase. Die Replikationsblase besteht aus zwei Replikationsgabeln, die sich jeweils in entgegengesetzte Richtungen entlang der DNA bewegen. Es versteht sich, dass die Replikationsgabeln alle Enzyme enthalten, die für die Replikation erforderlich sindsie sind in der Figur nur nicht explizit eingezeichnet, um Raum zu schaffen, um die Beziehungen zwischen der Matrize und neuen DNA-Strängen zu veranschaulichen.
Namensnennung: Originalbild des BIS2A-Teams

Verlängerung der Replikation

Das Aufschmelzen der DNA-Doppelhelix und der Aufbau des DNA-Replikationskomplexes ist nur der erste Schritt im Replikationsprozess. Jetzt muss der Prozess des Erstellens eines neuen Strangs tatsächlich beginnen. Hier stellen sich zusätzliche Herausforderungen. Das erste offensichtliche Problem besteht darin, zu bestimmen, welcher der beiden Stränge an einer Replikationsgabel kopiert werden sollte (d. h. welcher Strang dient als Matrize für die semikonservative Synthese? Sind beide Stränge gleichermaßen brauchbare Alternativen?). Es besteht auch das Problem, den Prozess der Neustrangsynthese tatsächlich in Gang zu setzen. Kann die DNA-Polymerase den neuen Strang selbst initiieren? Die Antwort auf die letztgenannte Frage und einige der Gründe und Konsequenzen werden später erörtert. Die Schlüsselidee, die an dieser Stelle zu beachten ist, ist, dass experimentell festgestellt wurde, dass DNA-Polymerase NICHT allein die Strangsynthese initiieren kann. Vielmehr erfordert die DNA-Polymerase einen kurzen Abschnitt einer doppelsträngigen Struktur, gefolgt von einer einzelsträngigen Matrize. Die Bildung eines kurzen Oligonukleotids erfolgt durch das Enzym primas. Dieses Protein erzeugt ein kurzes Polymer aus RNA (nicht DNA), das als a . bezeichnet wird Grundierung (diese sind in den Abbildungen oben und unten durch kurze grüne Linien dargestellt), die von der DNA-Polymerase verwendet werden können, um einen neuen wachsenden Strang zu nukleieren.

Während des Prozesses der Strangverlängerung wird die DNA-Polymerase polymerisiert einen neuen kovalent verknüpften Strang von DNA-Nukleotiden (in Bakterien kann dieses spezifische Enzym als DNA-Polymerase III bezeichnet werden; in Eukaryoten ist die Polymerase-Nomenklatur komplexer und die Rollen verschiedener Polymerase-Proteine ​​sind nicht vollständig verstanden). Es stellt sich heraus, dass einer der Stränge ausschließlich dem anderen vorgezogen wird, um als Vorlage zu dienen. DNA-Polymerase "liest" den Matrizenstrang von 3' nach 5' und synthetisiert einen neuen Strang in der Richtung von 5' nach 3'. Hypothesen zur Erklärung dieser universellen Beobachtung drehen sich normalerweise um die Energetik, die mit der Zugabe eines neuen Nukleotids verbunden ist, und um Argumente, die mit der DNA-Reparatur verbunden sind, die wir in Kürze beschreiben werden. Betrachten wir daher kurz die Reaktion, die die Addition eines einzelnen Nukleotids beinhaltet. Der Primer stellt ein wichtiges 3'-Hydroxyl bereit, an dem die Synthese beginnen kann. Das nächste Desoxyribonukleotidtriphosphat dringt in die Bindungsstelle der DNA-Polymerase ein und wird, wie in Abbildung 5 unten gezeigt, von der Polymerase so ausgerichtet, dass eine Hydrolyse des 5'-Triphosphats stattfinden kann, Pyrophosphat freigesetzt und diese exergonische Reaktion an die Synthese von a . gekoppelt wird Phosphodiesterbindung zwischen dem 5'-Phosphat des ankommenden Nukleotids und der 3'-Hydroxylgruppe des Primers. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, bis Desoxyribonukleotidtriphosphate aufgebraucht sind oder der Replikationskomplex von der DNA abfällt. Tatsächlich fügt die DNA-Polymerase die Phosphatgruppe (5') des ankommenden Nukleotids an die vorhandene Hydroxylgruppe (3') des zuvor hinzugefügten Nukleotids an.

Die richtige Basenpaarung oder die Auswahl des richtigen Nukleotids, das bei jedem Schritt hinzugefügt wird, wird durch strukturelle Beschränkungen erreicht, die von der DNA-Polymerase wahrgenommen werden, und die energetisch günstigen Wasserstoffbrückenbindungen, die zwischen komplementären Nukleotiden gebildet werden. Der Prozess wird energetisch durch die Hydrolyse des ankommenden 5'-Triphosphats und die energetisch günstigen Wechselwirkungen, die durch die Internukleotid-Wechselwirkungen in der wachsenden Doppelhelix gebildet werden (Basenstapelung und komplementäre Basenpaarung von Wasserstoffbrücken), angetrieben. Beachten Sie, dass die Energetik der Nukleotidaddition technisch nicht ausschließt, dass ein Strang in 3' nach 5'-Richtung wächst Strang statt des neu ankommenden Nukleotids (was ein wichtiger selektiver Nachteil sein könnte, wird kurz diskutiert). Nachdem die Elongation begonnen hat, kommt eine andere DNA-Polymerase (in Bakterien wird dies normalerweise als DNA-Polymerase I bezeichnet) zum Einsatz, um den RNA-Primer zu entfernen und den verbleibenden Rest der fehlenden DNA zu synthetisieren.

Wie im Unterricht noch genauer besprochen wird, induziert die Bewegung der Replikationsgabel das Wickeln der DNA in beide Replikationsrichtungen. Ein weiteres ATP verbrauchendes Enzym namens Topoisomerase hilft, diesen Stress abzubauen.

Abbildung 5. DNA-Polymerase katalysiert die Addition der 5'-Phosphatgruppe von einem ankommenden Nukleotid an die 3'-Hydroxylgruppe des vorherigen Nukleotids. Dieser Prozess erzeugt eine Phosphodiesterbindung zwischen den Nukleotiden, während die Phosphoanhydridbindung im Nukleotid hydrolysiert wird.
Quelle: http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m...h16/elong.html

Hinweis: mögliche Diskussion

Erstellen Sie eine Energiegeschichte für die Addition eines Nukleotids an ein Polymer, wie in der Abbildung oben gezeigt. Dies wird ein explizites Lernziel einiger Ihrer BIS2A-Instruktoren sein.

Vor- und Nachlaufstrang

Die obige Diskussion über die Strangverlängerung beschreibt den Prozess der Neustrangsynthese, wenn dieser Strang zufällig in der gleichen Richtung synthetisiert wird wie die Replikationsgabel ist oder sich entlang der DNA zu bewegen scheint. Dieser Strang kann kontinuierlich synthetisiert werden und heißt Leitstrang. Allerdings müssen beide Stränge der ursprünglichen DNA-Doppelhelix kopiert werden. Da die DNA-Polymerase DNA nur in 5'- 3'-Richtung synthetisieren kann, muss die Polymerisation des dem Leitstrang entgegengesetzten Strangs in der entgegengesetzten Richtung erfolgen, in der die Helikase oder vor der Replikationsgabel wandert. Dieser Strang heißt der nacheilender Strang, und aufgrund geometrischer Beschränkungen durch eine Reihe von RNA-Priming- und DNA-Syntheseereignissen in kurze Segmente, genannt ., synthetisiert werden müssen Okazaki-Fragmente. Wie bereits erwähnt, erfordert die Initiierung der Synthese jedes Okazaki-Fragments eine Primase, um einen RNA-Primer zu synthetisieren, und jeder dieser RNA-Primer muss schließlich entfernt und durch DNA-Nukleotide durch eine andere DNA-Polymerase ersetzt werden. Die kovalenten Bindungen zwischen den einzelnen Okazaki-Fragmenten können nicht von der DNA-Polymerase hergestellt werden und müssen daher von einem weiteren Enzym namens . gebildet werden DNALigase. Die Geometrie der nacheilenden Strangsynthese ist schwer zu visualisieren und wird im Unterricht behandelt.

Abbildung 6. Der nacheilende Strang wird in mehreren Segmenten erstellt. Eine Replikationsgabel zeigt den führenden und den nacheilenden Strang. Eine Replikationsblase zeigt die führenden und nacheilenden Stränge.
Originalbild des BIS2A-Teams

Beendigung der Replikation

Telomere und Telomerase

Das Ende der Replikation in zirkulären Bakterienchromosomen wirft wenige praktische Probleme auf. Allerdings stellen die Enden linearer eukaryontischer Chromosomen ein spezifisches Problem für die DNA-Replikation dar. Da die DNA-Polymerase Nukleotide nur in einer Richtung (5' bis 3') hinzufügen kann, ermöglicht der führende Strang eine kontinuierliche Synthese, bis das Ende des Chromosoms erreicht ist; da der Replikationskomplex jedoch am Ende des nachlaufenden Strangs ankommt, gibt es keinen Platz für die Primase, um zu "landen" und einen RNA-Primer zu synthetisieren, damit die Synthese des fehlenden DNA-Fragments des nachlaufenden Strangs am Ende des Chromosoms eingeleitet werden kann durch die DNA-Polymerase. Ohne einen Mechanismus, der diese Lücke schließt, bleibt dieses Chromosomenende ungepaart und geht an Nukleasen verloren. Mit der Zeit und mehreren Replikationsrunden würde dies dazu führen, dass die Enden der linearen Chromosomen immer kürzer werden, was letztendlich die Überlebensfähigkeit des Organismus beeinträchtigt. Diese Enden der linearen Chromosomen sind bekannt als Telomere, und fast alle eukaryotischen Arten haben sich wiederholende Sequenzen entwickelt, die nicht für ein spezifisches Gen kodieren. Als Konsequenz fungieren diese "nicht-kodierenden" Telomere als Replikationspuffer und werden mit jeder DNA-Replikationsrunde anstelle von kritischen Genen verkürzt. Beim Menschen wird beispielsweise eine Sequenz mit sechs Basenpaaren, TTAGGG, 100 bis 1000 Mal am Ende der meisten Chromosomen wiederholt. Die Entdeckung des Enzyms Telomerase half beim Verständnis, wie die Chromosomenenden aufrechterhalten werden. Telomerase ist ein Enzym, das aus Protein und RNA besteht. Telomerase bindet an das Ende des Chromosoms durch komplementäre Basenpaarung zwischen der RNA-Komponente der Telomerase und der DNA-Matrize. Die RNA wird als Komplementärstrang für die kurze Verlängerung ihres Komplements verwendet. Dieser Vorgang kann viele Male wiederholt werden. Sobald die Matrize des verzögerten Strangs durch Telomerase ausreichend verlängert ist, erzeugt Primase einen Primer, gefolgt von DNA-Polymerase, die nun Nukleotide hinzufügen kann, die zu den Enden der Chromosomen komplementär sind. Somit werden die Enden der Chromosomen repliziert.

Abbildung 7. Die Enden der linearen Chromosomen werden durch die Wirkung des Telomerase-Enzyms erhalten.

Telomerase ist in adulten Körperzellen nicht aktiv. Bei erwachsenen Körperzellen, die sich einer Zellteilung unterziehen, werden ihre Telomere weiterhin verkürzt. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die Verkürzung der Telomere mit dem Altern verbunden ist. Im Jahr 2010 fanden Wissenschaftler heraus, dass Telomerase einige altersbedingte Erkrankungen bei Mäusen umkehren kann, und dies könnte Potenzial für die regenerative Medizin haben.1 Telomerase-defiziente Mäuse wurden in diesen Studien verwendet; diese Mäuse haben Gewebeatrophie, Stammzelldepletion, Organsystemversagen und beeinträchtigte Reaktionen auf Gewebeverletzungen. Die Reaktivierung der Telomerase bei diesen Mäusen verursachte eine Verlängerung der Telomere, reduzierte DNA-Schäden, kehrte die Neurodegeneration um und verbesserte die Funktion von Hoden, Milz und Darm. Somit kann die Telomerreaktivierung das Potenzial zur Behandlung von altersbedingten Erkrankungen beim Menschen haben.

Unterschiede in den DNA-Replikationsraten zwischen Bakterien und Eukaryoten

Die DNA-Replikation ist bei Bakterien sehr gut untersucht worden, vor allem wegen der geringen Größe des Genoms und der großen Zahl verfügbarer Varianten. E coli hat 4,6 Millionen Basenpaare in einem einzigen kreisförmigen Chromosom, und alles wird in ungefähr 42 Minuten repliziert, beginnend mit einem einzigen Replikationsursprung und um das Chromosom herum in beide Richtungen. Dies bedeutet, dass pro Sekunde ungefähr 1000 Nukleotide hinzugefügt werden. Der Prozess ist viel schneller als bei Eukaryoten. Tabelle 1 fasst die Unterschiede zwischen bakteriellen und eukaryotischen Replikationen zusammen.

Tabelle 1. Unterschiede zwischen prokaryontischer und eukaryontischer Replikation

Unterschiede zwischen prokaryontischer und eukaryontischer Replikation
EigentumProkaryotenEukaryoten
Ursprung der ReplikationEinzelMehrere
Polymerisationsgeschwindigkeit pro Polymerase1000 Nukleotide/s50 bis 100 Nukleotide/s
ChromosomenstrukturKreisförmigLinear
TelomeraseNicht anwesendGegenwärtig

Link zu externer Ressource

Klicken Sie sich durch ein Tutorial zur DNA-Replikation.